超大型耙吸船艙內(nèi)泥泵汽蝕性能分析

秦 亮 ，劉長(zhǎng)海 ，李金峰 ，楊正軍

(1.中交天津航道局有限公司，天津300461；2.天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300457)

超大型耙吸船具有艙容大、挖深大、施工避讓靈活等優(yōu)點(diǎn)，是港口航道、吹填造地、海洋資源開發(fā)及海域國(guó)家重點(diǎn)工程不可替代的工程機(jī)械[1]，其核心設(shè)備是艙內(nèi)泥泵，與絞吸船艙內(nèi)泥泵相比，往往具有更大的流量、更好的吸入性能。大型耙吸挖泥船艙內(nèi)泥泵由于裝艙性能的需求，所配泥泵必須具有良好的汽蝕性能、較高的效率；而在裝艙能力提高的同時(shí)，船舶吹岸性能的要求也在提高，這又需要泥泵必須能在低、高轉(zhuǎn)速下均具有較高的效率和一定的排壓。在汽蝕模擬方面，國(guó)內(nèi)對(duì)水輪機(jī)的汽蝕模擬計(jì)算研究較多，已經(jīng)從二維發(fā)展到全三維流道解[2]，但有關(guān)疏浚泥泵的研究還鮮有報(bào)道。鑒于此，本文在超大型耙吸船汽蝕性能方面開展研究，建立汽蝕模型并進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步以實(shí)船為背景對(duì)某大型耙吸船泥泵的汽蝕性能進(jìn)行分析，得到完整的泥泵汽蝕性能數(shù)據(jù)，以供船舶建造及工程施工參考。

1 超大型耙吸船泥泵模型建立及水力性能分析

耙吸船規(guī)格一般用艙容來(lái)劃分等級(jí)[3]，超大型耙吸船艙容大于等于1.7萬(wàn)m3，其艙內(nèi)泥泵一般具有兩檔設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)裝艙流量在2.5萬(wàn)m3h左右，吹填流量在2.3萬(wàn)m3h左右，葉輪直徑2.4～2.9 m。本文所選的研究對(duì)象為國(guó)內(nèi)首艘超大型耙吸船[4]，艙容1.8萬(wàn)m3，首先建立泥泵流道模型，進(jìn)行外特性計(jì)算，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，為根據(jù)泥泵效率變化計(jì)算得出的泥泵必需汽蝕余量NPSHr值提供依據(jù)。

建立了從進(jìn)口至蝸殼出口的流道圖，并對(duì)進(jìn)口流道、葉輪及蝸殼分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖1。各部分網(wǎng)格數(shù)量見表1。

圖1 泥泵內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算模型及網(wǎng)格

表1 挖泥泵全流道數(shù)值模擬計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量分布

本文采用了雷諾時(shí)均N-S方程[5]，具體形式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

νt=μtρ

(5)

(6)

式中：τij為雷諾應(yīng)力；μt為湍流黏性系數(shù)；k為湍動(dòng)能；δij是“Kronecker delta”符號(hào)(當(dāng)i=j時(shí)，δij=1；當(dāng)i≠j時(shí)，δij=0)；cμ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.09；ε為耗散率。k和ε采用下面輸運(yùn)方程求解：

(7)

(8)

式中：Pk為湍動(dòng)能生成項(xiàng)；σk和σε是湍流k和ε的普朗特?cái)?shù)；c1和c2是模型系數(shù)[6]。

為了分析該泵在挖泥與排岸不同轉(zhuǎn)速、不同流量下的內(nèi)流場(chǎng)特性及水力外特性，分別對(duì)轉(zhuǎn)速為186、234 rmin下共10個(gè)流量(Q=1.0萬(wàn)、1.2萬(wàn)、1.4萬(wàn)、1.6萬(wàn)、1.8萬(wàn)、2.0萬(wàn)、2.2萬(wàn)、2.4萬(wàn)、2.6萬(wàn)、2.8萬(wàn)m3h)工況進(jìn)行了全流道計(jì)算，計(jì)算的工作條件為清水，沒有考慮泥漿的影響。流場(chǎng)計(jì)算以吸入口、后間隙的入口作為進(jìn)口邊界，在其上給定速度值(根據(jù)流量值確定)；以泵體出口為出口邊界，在其上給定參考?jí)毫χ担黄溆酁闊o(wú)滑動(dòng)固壁條件，泵的揚(yáng)程為出口和進(jìn)口壓力的差值。圖2為兩種轉(zhuǎn)速下計(jì)算得到的水力性能曲線，還分別給出了該泥泵的測(cè)試數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。從圖2a)可以看出，流量-揚(yáng)程曲線在大流量時(shí)要稍高于測(cè)試結(jié)果，而在小流量時(shí)要稍低于測(cè)試結(jié)果，但總體誤差在5%以下；從圖3b)流量-效率曲線來(lái)看，在設(shè)計(jì)點(diǎn)工況附近數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合度較高，小流量的計(jì)算效率要低于測(cè)試結(jié)果；圖2c)流量-功率曲線吻合度較好，總體誤差在3%以下。

圖2 挖泥泵性能曲線

2 泥泵汽蝕性能

2.1 汽蝕模型

汽蝕是流體機(jī)械運(yùn)行中的普遍現(xiàn)象，當(dāng)液體中某區(qū)域壓力低于此溫度下的汽化壓力時(shí)發(fā)生汽蝕[7]。汽蝕是泥泵運(yùn)行中常見的危害，汽蝕發(fā)生時(shí)影響泵的吸入效率、導(dǎo)致吸入濃度降低等，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生振車或斷流、威脅結(jié)構(gòu)安全與輸送系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

在挖泥泵中，汽蝕發(fā)生的局部低壓區(qū)同時(shí)也是速度較高的區(qū)域。在這一區(qū)域中，空泡相與水流相之間的速度滑移作用相對(duì)很小。可以認(rèn)為空泡相與流體相達(dá)到了動(dòng)力平衡與擴(kuò)散平衡，即認(rèn)為流道內(nèi)各處空泡與水流的時(shí)均速度相等，空泡擴(kuò)散相當(dāng)于水流的擴(kuò)散(擴(kuò)散平衡)，空泡的湍流擴(kuò)散相當(dāng)于水流的湍流擴(kuò)散(湍流擴(kuò)散平衡)，把空泡相和水流相作為統(tǒng)一的流體加以研究，因此本文中的汽蝕流動(dòng)計(jì)算應(yīng)用的是混合流體無(wú)滑移模型。同時(shí)全面考慮汽蝕發(fā)生時(shí)的主要物理過程，即：相變過程中空泡的產(chǎn)生與消亡、空泡的輸運(yùn)、湍流壓力和速度脈動(dòng)的影響、流體中含有的其他不溶解性氣體的影響，應(yīng)用完整汽蝕模型(full cavitation model)來(lái)處理汽蝕過程。

在空泡相和流體相不存在滑移的流動(dòng)中，空泡的動(dòng)力學(xué)特性方程可以由Rayleigh-Plessst方程得到：

(9)

式中：t為時(shí)刻；p為壓力；RB為空泡半徑；pv為泡壁壓力，pv=3 540 Pa；ρf為流體密度；σ為空泡壁的張力系數(shù)。

2.2 典型工況汽蝕性能

由于大型泥泵對(duì)汽蝕性能要求高，長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)大型耙吸船的泥泵以采購(gòu)為主，國(guó)外公司提供的泥泵汽蝕余量曲線多以效率下降5%為臨界汽蝕點(diǎn)，從數(shù)據(jù)資料表象上顯示抗汽蝕性能良好。經(jīng)過長(zhǎng)期的摸索及參照相近行業(yè)泵試驗(yàn)規(guī)程，筆者認(rèn)為泵效率下降3%時(shí)為臨界汽蝕點(diǎn)對(duì)泵的性能要求更為嚴(yán)格也更為合理。因此按照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行泥泵必需汽蝕余量計(jì)算。

圖3給出了轉(zhuǎn)速n=186 rmin、流量Q=2.8萬(wàn)m3h時(shí)挖泥泵效率與泥泵必需汽蝕余量的關(guān)系，該工況下，泥泵必需汽蝕余量為5.51 m。

圖3 n=186 rmin、Q=2.8萬(wàn)m3h時(shí)挖泥泵汽蝕性能分析

2.3 泥泵汽蝕性能曲線

該泵在造船期間廠家未提供完整的泥泵汽蝕余量曲線，只給出挖泥裝艙設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速186 rmin下、流量為2.4萬(wàn)m3h時(shí)的NPSHr值約為4 m的說(shuō)明。該值為參考國(guó)外相近規(guī)格泥泵給出。為了進(jìn)一步全面分析該挖泥泵的汽蝕性能，為船舶施工使用提供依據(jù)，對(duì)該泵在轉(zhuǎn)速為186、234 rmin下不同的工況(Q=1.2萬(wàn)、1.8萬(wàn)、2.2萬(wàn)、2.4萬(wàn)、2.8萬(wàn)m3h)進(jìn)行汽蝕性能全面計(jì)算[8]。

表2給出了不同工況下泥泵的必需汽蝕余量。圖4為兩種轉(zhuǎn)速(n=186 rmin和n=234 rmin)下泥泵必需汽蝕余量(NPSHr)與流量的關(guān)系。可以看出該泵在設(shè)計(jì)裝艙轉(zhuǎn)速及流量下的必需汽蝕余量為4.11 m，略高于國(guó)外相近規(guī)格泥泵汽蝕性能。隨著流量的增大，泥泵抗汽蝕性能變差，隨著轉(zhuǎn)速的提高必需汽蝕余量也略有提高，符合流量-汽蝕曲線的一般規(guī)律。

表2 不同工況下挖泥泵的必需汽蝕余量 m

圖4 挖泥泵不同轉(zhuǎn)速下汽蝕性能

該船泥泵汽蝕性能的全面獲得對(duì)指導(dǎo)施工使用的意義重大，解決了駕駛操作人員在不同轉(zhuǎn)速、不同流量下泥泵吸入真空值控制沒有依據(jù)的問題。按此結(jié)果施工，多年來(lái)船舶施工質(zhì)量控制良好，既保證了產(chǎn)量，泥泵也未出現(xiàn)大的汽蝕問題。

從以上汽蝕分析可知，目前的汽蝕計(jì)算方法能很好地捕捉到汽蝕的初生、發(fā)展等特性，是一種有效的預(yù)測(cè)泥泵汽蝕性能的方法。

3 結(jié)論

1)結(jié)合完整汽蝕模型及效率連續(xù)變化分析可獲得超大型耙吸船艙內(nèi)泥泵汽蝕性能。

2)獲得了國(guó)內(nèi)首條超大型耙吸船艙內(nèi)泥泵裝艙與抽艙兩種工況不同流量下的完整汽蝕性能數(shù)據(jù)。

3)船舶多年來(lái)按照該研究獲得的汽蝕標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，效果良好，保證了施工效率及裝備的完好率。

4)通過流體動(dòng)力學(xué)方法可以得到完整的泥泵汽蝕性能，解決了國(guó)產(chǎn)超大型耙吸船泥泵缺少汽蝕性能數(shù)據(jù)的問題。